電荷発生装置について

１■電荷発生装置とは？
国内の医療機関のリニアックのモニター線量計校正用の電離箱と電位計の校正については永年、医用原子力技術研究振興財団において電離箱と電位計の組み合わせを決めて校正する一体校正が行われてきました。
しかし 2018 年度から電離箱と電位計を別々に校正する「分離校正」が始まっており、2023 年 4 月には分離校正への移行が完了します。

この分離校正では電位計に「1.0000」前後の値の「電位計校正定数ｋelec」

Output1 と Output2 の 2 つの出力端子があります。

が付与されるようになり、電位計は 3 年間隔の校正となりました。
そのため 3 年間に亘り kelec が変化していないか日常的に確認しておくことが重要で、これに用いるための装置が電荷発生装置です。当社の電荷発生装置は電位計本体に内蔵する形で搭載されているのが特徴です。

電荷発生装置には出力電流と出力電荷を正確かつ安定に出力できることが求められますので、本機では校正機関が使用している装置と同レベルの極めて高い精度と安定性を実現しました。
Menu 画面で「電荷発生」を押すと下記の画面へ替わります。
本機では出力電流と出力時間を設定しそれらの積を出力電荷としています。
これは校正機関が行っている電位計の校正方式と基本的に同じです。
この方式では電離箱から出力される電流とリニアックの出力時間をそのまま設定でき、実際の使用状態に近い設定で電位計を点検できます。

■操作は簡単
希望する出力電流が±2000pA 以下の場合は Output1 の端子に専用ケーブルを接続し、±2000pA を超える場合は Output2 へ接続します。
次にメニュー画面で「電荷発生」ボタンを押して電荷発生装置の設定画面

電流と時間を設定すると電荷が自動的に設定されます。

を開きます。この画面で出力電流[pA]と出力時間[sec]を設定すると電流×時間＝電荷で出力電荷が設定されます。例えば Output1 の出力電流に-20.000pA を設定し、出力時間に 50.0sec を設定すると-1.00000nCの出力電荷が設定されます。出力の極性は±どちらでも可能です。

出力電流は Output1 からは±0.005pA～±2000.000pA を、Output2 からは±0.05pA～±20000.00pA を設定できます。出力時間は 0.1sec～1000.0secを設定でき、出力電荷は Output1 から±0.00000nC～±2000.00000nC を、Output2 からは±0.0000nC～±20000.0000nC を設定できます。
Output1 から他社の電位計へ専用ケーブルで接続した例■他の電位計も点検できます
専用ケーブルの反対側の端子を電位計の Detector 端子へ接続すると自分自身の電位計の測定精度を点検することができます。
同様に他の電位計へ接続してその電位計の測定精度を点検することもできます。さらにリニアック室と操作室の間に敷設された延長ケーブ
ルの健全性を点検することも可能で、電荷発生装置は放射線治療部門における必需品と言えます。

電荷発生装置について

２■出力は極めて安定
当社で測定した出力電荷の揺らぎの具体例を右に示します。EMF521R 型電位計の Detector 端子と電荷発生装置の Output1 とを付属の専用ケーブルで接続し+19.8pA と+198pA と+1980pA を 50 秒間、つまり+0.99nC と+9.9nCと+99nC を出力し、それを 10 回繰り返し測定した結果の変動係数（相対標準偏差）は 0.00883％、0.00078%、0.00019%でした。このように出力は極めて安定しています。電荷発生装置にも電位計と同様の自動温度補償を採用したことで暖機の途中でも安定に出力できるようになりました。
ファーマー形電離箱を EMF521R 型に接続し、リニアックで繰り返し照射して測定した値と比べたところ、198pA 以上での変動係数（相対標準偏差）はリOutput1（最大±2nA）の出力電荷の繰返し性を調べた例

ニアックの 1/10 以下でした。このことから電荷発生装置の出力はリニアック（この測定結果は電荷発生装置と EMF521R 型電位計の X 線出力より安定していることがわかりました。の両方の揺らぎが合成された結果と考えられます。）■電荷発生装置の仕様 （EMF521R 型用、EMF521R2 型用共通仕様）
１. 電流制御方式：出力電流をフィードバック制御するアクティブ方式

２. 出力電流波形：直流

３. 出力設定方式：出力時間と出力電流を設定するとそれらの積で出力電荷が設定される方式。

４. 出力時間設定範囲：0.1 秒～1000.0 秒

５. 出力電流設定範囲：Output1±0.005pA～±2000.000pA （設定が可能な分解能は 0.005pA）

Output2±0.05pA～±20000.00pA

６. 出力電流有効範囲（設定が可能な分解能は 0.05pA）：Output1 ±20pA (最小定格電流)～±2000pA (最大定格電流)
Output2 ±200pA (最小定格電流)～±20000pA (最大定格電流)７. 出力電荷表示範囲：Output1±0.00001nC～±2000.0000nC

Output2±0.0001nC～±20000.000nC

８．ゼロ点ドリフト：最小定格電流に対し±0.1%以内

９．ゼロ点ドリフトの温度係数：最小定格電流に対し±0.015%/℃以内

１０．出力電流の温度係数：最大定格電流の 1/2 を出力時に±0.0025%/℃以内

１１．出力電流の非直線性：最大定格電流の 1/2 を基準に全有効範囲で±0.1%以内

１２．出力電荷の時間非直線性：最大定格電流の 1/2 を出力時に 10 秒を基準に 1～100 秒で±0.01%以内

１３．出力時間の精度：50ppm 以内

１４．出力電荷の不確かさ：Output1

出力時間 50 秒で±1nC～±100nC において 0.29％以内

Output2

出力時間 50 秒で±10nC～±1000nC において 0.20％以内(k=2・納入後 1 年以内)
１５．長期安定性：±0.1%/年以内

１６．安定化時間：起動後 1 時間経過時を基準として、15 分経過時と 6 時間経過時の最大定格電流の 1/2 の出力の差が±0.02%以内

１７．繰り返し性：最小定格電流を 50 秒出力させて電荷測定を 10 回繰り返した場合の変動係数が 0.01%以内

１８．専用接続ケーブル：三重同軸 BNC コネクタ付き電離箱用延長ケーブル 3m 長（付属品）

１９．使用時の環境：気温：20～30℃

２０. 製品の形態:EMF521R 型電位計または EMF521R2 型電位計の内部に搭載されます。

湿度：10～80%（結露が無い事）

暖機時間：15 分以上

電荷発生装置について３■Output1（最大±2nA）の出力電荷の繰り返し性をさらに詳しく調べてみました。
出力電流設定値

pA

2.000

10.00020.000100.000

200.000

1000.000

2000.000

出力電荷設定値nC

0.10000

0.50000

1.00000

5.00000

10.00000

50.00000

100.00000

1 回目測定値

pC

99.970499.958

999.9214999.909

9999.699

49999.45

100005.57

2 回目測定値

pC

99.965499.970

999.9214999.886

9999.688

49999.43

100005.35

3 回目測定値

pC

99.961499.970

999.8914999.908

9999.689

49999.45

100005.58

4 回目測定値

pC

99.946499.966

999.900

4999.888

9999.665

49999.31

100004.94

5 回目測定値

pC

99.991499.996999.892

4999.859

9999.697

49999.52

100005.31

平均値

pC

99.967499.972

999.905

4999.890

9999.688

49999.43

100005.35

標準偏差

pC

0.016

0.014

0.015

0.020

0.014

0.076

0.260

変動係数%

0.01630.00290.00150.00040.00010.00020.0003

設定値との差%-0.0330-0.0056-0.0095-0.0022-0.0031-0.00110.0053

上記のデータは、Output1 と Output2 のふたつある電荷発生装置の出力端子のうち、出力電流範囲が±0.005pA～±2000pA のOutput1 の性能を詳しく調べた例です。出力時間を 50.0 秒に固定し、出力電流を 2pA～2000pA の範囲で 7 段階変えて設定しました。
出力電荷は 0.10000nC、0.50000nC、1.00000nC、5.00000nC、10.00000nC、50.00000nC、100.00000nC の 7 種類です。下の写真の右側のように EMF520R 型電位計の Detector 端子と Output1 の端子を専用ケーブルで接続し、電荷測定を 5 回繰り返し、記録しました。
EMF520R 型では測定値が pC 単位で表示されるため、上の表の測定値は pC 単位で記載しました。

EMF520R 型は EMF521R 型の姉妹機種ですが、測定できる最大電流は±2000pA で EMF521R 型の 1/10 です。
0.6cm3 の空気体積を持つファーマー形電離箱でリニアックの出力を測定した場合、電離箱から出力される電流は±2000pA を超える場合があるため、EMF520R 型は放射線治療部門用にはお勧めしておりません。しかし±200pA 以下では電荷測定値の繰り返し性が EMF521R 型より優れているため、Output1 の出力性能をより正確に調べることができます。

測定結果を見ると、出力電流が 2～200pA の範囲では電荷測定値の標準偏差に大きな差が無いことに注目できると思います。
さらに 100～2000pA における変動係数（相対標準偏差）は 0.0001～0.0004%という極めて低い値に収まっています。10pA 以上では設定された出力電荷と測定された電荷の差が 0.1%を大きく下回っていて、電位計校正定数 k elec を点検するのに適した精度や安定性を持っていることがわかります。
なお上記のデータは弊社において室温 24.1～24.9℃、湿度 60～61%の環境で測定した一例です。
製品には 1 台ずつ僅かではありますが特性に違いがありますので、性能については上記の測定例を保証するものではありません。
弊社が保証できる性能は仕様に記述された範囲です。個々の製品の性能については出荷時に実測した検査成績書が製品に添付されていますので、そちらをご確認下さい。

Output1 から自分自身の Detector 端子へ接続した例

Output1 から右側の EMF520R 型電位計の Detector 端子へ接続した例

電荷発生装置について

４■Output2（最大±20nA）の出力電荷の繰り返し性も調べてみました。
出力電流設定値

pA

2.00

20.00

200.002000.00

20000.00

出力電荷設定値nC

0.10001.000010.0000

100.0000

1000.0000

1 回目測定値pC

100.078

1000.288

10000.873

100005.60

1000089.9

2 回目測定値

pC

100.155

1000.191

10000.815

100005.67

1000092.6

3 回目測定値

pC

100.0101000.306

10000.852

100005.85

1000092.3

4 回目測定値

pC

99.9721000.369

10001.054

100005.76

1000091.1

5 回目測定値

pC

99.9871000.333

10000.975

100005.89

1000095.8

平均値

pC

100.040

1000.297

10000.914

100005.75

1000092.3

標準偏差

pC

0.076

0.067

0.098

0.121

2.210

変動係数

%

0.07580.00670.00100.00010.0002

設定値との差%0.04040.02970.00910.00580.0092

上記のデータは、Output2 の端子に専用ケーブルを接続し、ケーブルの反対側は EMF521R 型（自分自身の Detector 端子）および EMF520R 型に接続し、出力時間を 50.0 秒に固定し出力電流を変えて設定しました。出力電流が 20000pA の時だけEMF521R 型に接続し、2000pA 以下は EMF520R 型に接続して測定しました。測定値の単位は前ページと同様 pC に揃えました。

Output2 は Output1 の 10 倍の±0.05pA～±20000pA の範囲の出力電流を設定することができます。
Output2 は EMF521R 型で測定できる最大電流まで出力を設定できますし、他社製電位計のいくつかの機種の M レンジを点検するのにも適した出力電流範囲を持っていますので、電位計の日常点検には Output2 を用いた方が便利に感じられるかも知れません。

それではなぜ Output1 の端子を設けたのか？ それは±200pA 以下の出力では Output1 の方が出力電荷の精度や繰り返し性が優れているからです。二者の性能がどのように異なるのか事前に知っておけば最適な使い方ができます。Output2 のデータを見ると、日常点検なら 2pA～20000pA の範囲で充分使えそうな精度や繰り返し性で出力できていることがわかります。しかし電位計の性能を厳密に調べる場合には、Output1 は±20pA～±2000pA の出力電流で、Output2 は±200pA～±20000pA の出力電流でお使い下さい。
データを詳細に比べて頂けますとその理由がおわかり頂けると思います。

なおこのページのデータも前ページと同様の環境で測定しました。
製品には 1 台ずつ僅かではありますが特性に違いがありますので、性能については上記の測定例を保証するものではありません。
弊社が保証できる性能は仕様に記述された範囲です。個々の製品の性能については出荷時に実測した検査成績書が製品に添付されていますので、そちらをご確認下さい。

電位計の詳細説明については別紙 EMF521R 型カタログおよび EMF521R2 型カタログを御覧下さい。
上記内容の一部は予告なく変更される場合があります。

EMF ジャパン株式会社〒671-1226 兵庫県姫路市網干区高田 381 番地
TEL：079-262-6773

FAX：079-262-6774

https://www．emf-japan．com/（2023 年 3 月 1 日更新）